肿瘤微环境下未折叠蛋白反应细胞自噬及肿瘤代谢之间的cross-talk*

侯 旭 刘耀华

·国家基金研究进展综述·

肿瘤微环境下未折叠蛋白反应细胞自噬及肿瘤代谢之间的cross-talk*

侯 旭 刘耀华

恶性肿瘤的典型特点是增殖速度快、侵袭性强，肿瘤血供往往不能满足生长所需，由此使得肿瘤处于低氧、营养物质缺乏的应激微环境中。肿瘤细胞在应激微环境下通过激活未折叠蛋白反应、启动自噬和改变其代谢途径等一系列信号通路促进其存活发展。未折叠蛋白反应（unfolded protein response，UPR）、自噬的启动及代谢方式的改变三者之间有着紧密的联系，本文将对三者之间的相互作用关系进行综述，将对理解肿瘤与其微环境之间的互动以及探索新的治疗策略提供新视角。

肿瘤 未折叠蛋白反应 代谢 自噬

理解肿瘤与其所处微环境的互动对于研究肿瘤生物学行为特点和针对性治疗至关重要。恶性肿瘤增殖速度快，侵袭性强是其生长的主要特征。但是，肿瘤内部的新生血管不能满足肿瘤生长的需要，造成肿瘤内部血供不足，使得肿瘤细胞处于一种供氧不足和营养物质匮乏的微环境中。虽然实体肿瘤中这种微环境造成的应激不利于细胞存活，但其通过选择使得能够耐受应激的细胞存活并继续分裂增殖，从而使肿瘤朝着更加恶性的方向发展［1］。在肿瘤生长的应激微环境下，肿瘤细胞表现出特殊的生物学特点，包括未折叠蛋白反应（unfolded protein response，UPR）的启动、代谢方式改变和自噬等。

1 UPR启动对于肿瘤在应激微环境下存活的意义

大量研究表明，实体肿瘤组织中的低氧、营养缺乏等环境可以激活内质网应激（ER stress，ERS）和UPR［1］。内质网是真核细胞蛋白质折叠加工的重要场所，分子氧为蛋白折叠所必须，因此错误折叠蛋白在内质网中的堆积是低氧造成的必然结果［2］，从而诱发内质网应激。内质网应激启动的UPR反应通过Perk-eIF2a-ATF4、ATF6a、IRE1a-XBP1信号通路，一方面减少蛋白合成，另一方面诱导分子伴侣和激活蛋白降解途径，减少错误折叠蛋白的堆积，从而保护细胞，使得其在应激条件下存活［3］。目前认为，启动UPR是肿瘤细胞为适应体内低氧环境的一种必须行为，对于实体肿瘤细胞在体内的存活至关重要［1］，在很多肿瘤中均检测到UPR下游靶信号的激活［4-6］，而抑制UPR或其诱导的保护性分子/信号通路均不利于肿瘤生长［1-2］，并且UPR的激活可使肿瘤对治疗抵抗［7］。在胶质瘤组织中UPR相关的保护性分子Bip呈高表达，抑制Bip表达可使胶质瘤对化疗敏感［8］。有研究［9］发现XBP1在多种肿瘤组织中显著上调并出现明显剪接激活，且抑制XBP1基因可显著提高胶质瘤对化疗药物的敏感性，并且XBP1通过调控Catalase等基因使肿瘤细胞对氧化应激抵抗［10］。由此可见UPR对于多种实体肿瘤的重要意义，但UPR对肿瘤细胞在应激条件的调控作用及其具体机制仍有待进一步研究。

2 肿瘤在应激微环境下代谢方式改变

在体内应激环境下，肿瘤细胞的能量代谢方式发生异常改变。通过糖酵解获取能量是实体肿瘤适应体内低氧微环境的必须行为［11］，活跃的糖酵解是恶性肿瘤显著的生化特征，这一生化表型被称为Warburg效应［12］，且糖酵解导致肿瘤对放化疗抵抗［13］。通过Warburg效应了解到肿瘤细胞代谢方式即使是有氧条件下，亦从氧化磷酸化（OXPHOS）转向有氧糖酵解，作为ATP的主要来源［14］。这种肿瘤细胞代谢方式的转变抵制了细胞凋亡的过程［15］，并且为肿瘤的增殖和侵袭提供了前期所需物质［14］。在不同的肿瘤中，有氧糖酵解作用的分子基础仍然不确定。前期的实验研究证实，肿瘤细胞中遗传和表观遗传改变导致代谢关键酶功能变化，其中包括基因的突变、同种蛋白不同表型之间功能的转变及对于致瘤的信号通路二次调解和功能的转变或肿瘤微环境诱发因素等［14］。

有研究［15］显示肿瘤细胞内调控糖酵解的基因被普遍上调，而线粒体三羧酸循环中的重要调控酶IDH（异柠檬酸脱氢酶）在胶质瘤等一些肿瘤中发生突变［16］，其突变使得IDH活性降低，IDH突变失活后使脑肿瘤内HIF-1α活性升高，促进肿瘤发生发展［17］。有学者［18］也指出，IDH突变使得肿瘤细胞发生“重新编程”，最终导致其代谢向无氧糖酵解方式转化。有研究［19］发现糖酵解限速酶己糖激酶2（hexokinase 2，HK2）在多种肿瘤中异常高表达，其功能主要是调节恶性肿瘤细胞的有氧糖酵解，为细胞提供增殖和生存的优势，而正常组织中则主要表达己糖激酶1（HK1）。胰岛素生长因子、myc、胰高血糖素、cAMP等转录和生长因子可以促进恶性肿瘤增长，同时也促进HK2的表达［20］。

3 肿瘤应激微环境下自噬的启动

细胞自噬是实体肿瘤在体内应激环境下产生的一种保护机制，在低氧和营养物质缺乏状态下，溶酶体可降解胞内一些蛋白和细胞器，降解产生的氨基酸和营养物质重新进入能量代谢循环，从而维持细胞存活。自噬对于应激状态下的肿瘤细胞清除胞内不利分子、维持代谢水平、影响蛋白合成和调控代谢途径至关重要，且自噬的激活使得肿瘤细胞对放疗耐受［21］。

有研究［1］显示因缺乏足够的血液供应，缺氧和营养剥夺广泛存在于人的实体肿瘤。然而，癌细胞可以在这种看似不利于细胞生存的条件下存活，并且不断扩散发展。应用抗血管新生疗法导致血管生成减少限制了肿瘤的生长，但血管生成抑制剂通常仅短暂抑制肿瘤的发展。抗血管新生治疗引起的缺氧诱发了肿瘤细胞自噬，其诱导自噬是依赖于信号HIF-1α/AMPK途径，自噬这种细胞保护性反应导致治疗抵抗，通过抗血管新生药物配合自噬抑制剂可以明显诱导肿瘤细胞凋亡［22］。在对于肝脏微环境诱导自噬的研究中，通过模拟体内低氧和营养缺乏的肿瘤生长环境，发现自噬可通过Beclin-1依赖途径促进肝癌细胞在低氧和营养缺乏状态下生存［23］。因此抗肿瘤细胞自噬作用的药物为目前研究的重点，众多制药公司和一些学术团体现在致力于对特定小分子自噬抑制剂的筛选研究。众多自噬抑制剂也显示出对肿瘤的抑制作用而倍受重视，并对于多自噬抑制剂进行临床前期研究［24］。

此外，有研究［25］还发现抑癌基PTEN可通过抑制Akt/PKB信号转导途径来诱导自噬，而Akt/PKB可激活拮抗自噬的mTOR，进一步将自噬与肿瘤细胞的致癌基因表达关联。自噬基因的缺失与肿瘤发生密切相关，一些原癌基因可以激活自噬，抑癌基因可以诱导自噬，且自噬基因（ARG）与原癌基因和抑癌基因之间存在联系［25］，提示自噬可能对抑制肿瘤有重要作用，但目前对其中涉及的多种复杂机制尚了解甚少，而这些可能正是肿瘤治疗的新靶点，有待人们进一步研究。

4 肿瘤细胞中UPR、自噬和代谢方式转变之间的cross-talk

UPR促进实体肿瘤在应激微环境下发生发展，主要认为与其诱导下游分子伴侣表达、维持内质网稳态、促进错配蛋白水解等途径有关，但这些机制不足以解释其对肿瘤在低氧环境下存活的必要性。有学者［26］指出，UPR通过对细胞代谢的调控影响细胞命运，UPR的3个通路均与细胞代谢关系密切。ATF4对糖代谢有重要调控作用［27］；ATF6a激活后与CRTC2结合进入细胞核，其结果抑制CRTC2对糖异生的正向调节［28］，而糖异生的抑制可导致糖酵解中间产物堆积，这些中间产物对肿瘤发生发展具有促进作用［28］。Acosta-Alvear等［29］研究发现，XBP1-s可直接调控多个与糖酵解有关的基因；有趣的是调控丙酮酸激酶剪接的蛋白hnRNP的家族成员也是XBP1-s的下游分子［29］，在肿瘤细胞内hnRNP可促使糖酵解的限速酶丙酮酸激酶从M1型向M2型转变［30］，M2型丙酮酸激酶在多种肿瘤包括胶质瘤中高表达，并且与肿瘤在低氧环境下发生发展密切相关［31］。XBP1-s可以与转录因子FOXO1结合导致其发生蛋白酶体依赖性水解［32］，而FOXO1可以抑制肿瘤细胞内糖酵解相关基因表达［33］。

UPR与自噬关系也极为密切，UPR的启动与自噬的激活均为肿瘤在体内应激环境生存和发展的重要保护机制。UPR中许多重要分子参与自噬的调控：低氧状态下UPR中Perk通路的ATF4和CHOP可以上调自噬相关基因MAP1LC3B和ATG12，并对自噬有促进作用［34］；抑制UPR中另外一个重要分子IRE1α可以显著抑制自噬，且不利于细胞在营养物质缺乏状态下存活［35］；XBP1对细胞自噬也有重要影响［36］。

5 结语

肿瘤细胞启动UPR、激活自噬及代谢方式的变化均是其适应肿瘤内部低氧、营养物质缺乏等应激微环境的重要机制，其结果使得肿瘤细胞在应激微环境存活［37-38］。综上所述，UPR、自噬的启动和代谢方式的改变三者之间存在诸多相互作用的机制，通过进一步实验研究，明确三者之间的作用关系，将对理解肿瘤与其微环境之间的互动以及探索新的治疗策略提供新的视角。

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（2014-04-08收稿）

（2014-04-27修回）

（本文编辑：邢颖）

Cross-talk among unfolded protein response,cancer metabolism, and autophagy in a cancer microenvironment

Xu HOU,Yaohua LIU
Correspondence to:Yaohua LIU;E-mail:liu_yaohua@163.com

Department of Neurosurgery,The FirstAffiliated Hospital of Harbin Medical University,Harbin 150001,China

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.81172388)

Malignant tumor is typically characterized by fast proliferation and invasiveness.As such,tumor blood supply often fails to satisfy tumor growth requirements,resulting in a stressful cancer microenvironment with low oxygen level and insufficient nutrients.Cancer cells survive in such stressful environments by activating various signals(such as unfolded protein response),changing metabolic pathways,and undergoing autophagy.Hence,the cross-talk among these mechanisms should be determined to provide new insights into the interdynamics of cancer cells and their microenvironment.Furthermore,results would provide relevant information for the development of novel therapeutic strategies.

cancer,unfolded protein response,metabolism,autophagy

10.3969/j.issn.1000-8179.20140555

侯旭 在读博士研究生。研究方向为胶质瘤的外科治疗。

哈尔滨医科大学附属第一医院神经外科（哈尔滨市150001）

*本文课题受国家自然科学基金项目（编号：81172388）资助

刘耀华 liu_yaohua@163.com

E-mail：houxu19830809@163.com